基于Pathfinder的地鐵區(qū)間火災(zāi)人員疏散仿真研究

張昊++董四輝

摘 要：為了有效解決地鐵發(fā)生區(qū)間隧道火災(zāi)時(shí)人員逃生距離較長(zhǎng)且危險(xiǎn)性較大的問(wèn)題，對(duì)于設(shè)有聯(lián)絡(luò)通道的隧道，可研究人員在區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)利用其逃生的安全性。該文以某市地鐵一號(hào)線南關(guān)嶺-華北路站為研究對(duì)象，進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)公式與Pathfinder軟件模擬結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了軟件模擬的精確性。并基于Pathfinder軟件，分析了列車(chē)在聯(lián)絡(luò)通道附近發(fā)生火災(zāi)時(shí)的人員疏散，結(jié)果表明：采用常規(guī)的聯(lián)絡(luò)通道尺寸，當(dāng)列車(chē)距離聯(lián)絡(luò)通道長(zhǎng)度大于150 m時(shí)，可用安全疏散時(shí)間小于所需安全疏散時(shí)間，人員不能安全逃生，但通過(guò)增加聯(lián)絡(luò)通道寬度到10～12 m或增加聯(lián)絡(luò)通道個(gè)數(shù)可減少人員所需安全疏散時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)安全逃生。希望研究結(jié)果能為地鐵運(yùn)營(yíng)部門(mén)安全管理提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵 聯(lián)絡(luò)通道 安全疏散 隧道火災(zāi)

中圖分類(lèi)號(hào)：U23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）01（a）-0019-06

Study on Personnel Evacuation of Fire in Subway Tunnel Based on Pathfinder

Zhang Hao Dong Sihui

（School of Civil and Safety Engineering， Dalian Jiaotong University， Dalian Liaoning， 116028， China）

Abstract：In order to effectively solve the personnel escaped distance is longer and dangerous when the subway tunnel fire. If a cross-passage exists， it may be useful to research the safety of passengers to escape. Taking the subway tunnel between Nanguanling station and Huabeilu Station as the research object， the accuracy of software simulation is verified when contrast the empirical formula and Pathfinder software simulation results. Personnel evacuation when the train is near the middle of the tunnel was studied based on the soft Pathfinder. The results show that adopting conventional cross-passage cant assure the passengers safety evacuation. The available safety egress time less than required safety egress time when the distance of train near cross-passage distance is greater than 150 meters. The required safety egress time was decreased by increasing the cross-passage width to 10～12 meters or quantity. So the passengers can escape safely. The results can provide a reference for the subway operation enterprise to prepare personnel safety management.

Key Words：Subway； Cross-passage； Safety evacuation； Tunnel fire

地鐵火災(zāi)分為站臺(tái)火災(zāi)、站廳火災(zāi)、區(qū)間隧道火災(zāi)。地鐵系統(tǒng)與外界的聯(lián)系主要為出口和入口，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員逃生區(qū)域受限制，特別是在高峰期人員密集時(shí)，相比于其他兩種火災(zāi)，地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)具有更大的危害性。區(qū)間隧道火災(zāi)的特點(diǎn)是熱且煙危害嚴(yán)重；人員逃生條件差；消防救援難度大[1]。

列車(chē)在地鐵區(qū)間隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157-2013）規(guī)定的疏散原則是乘務(wù)人員盡量將列車(chē)駛出隧道并進(jìn)入前方車(chē)站，此時(shí)的通風(fēng)模式應(yīng)為站臺(tái)火災(zāi)模式；當(dāng)列車(chē)不能駛?cè)肭胺杰?chē)站而停靠在區(qū)間隧道內(nèi)，此時(shí)通風(fēng)模式為區(qū)間隧道火災(zāi)模式。目前對(duì)于區(qū)間隧道火災(zāi)模式，通常方案是，區(qū)間隧道兩端的風(fēng)機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，靠近火災(zāi)一端站臺(tái)排煙，另一端送新風(fēng)，使人員迎著新風(fēng)安全逃生[2]。規(guī)范未針對(duì)聯(lián)絡(luò)通道做具體規(guī)定，但聯(lián)絡(luò)通道可對(duì)區(qū)間隧道火災(zāi)消防起到重要作用。鑒于此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)設(shè)有聯(lián)絡(luò)通道的地鐵隧道進(jìn)行了相關(guān)研究。當(dāng)前的研究方法主要有計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究、模型試驗(yàn)研究[3]。由于實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究的成本費(fèi)用高，模型試驗(yàn)研究不精確，使計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)并應(yīng)用。廣州大學(xué)的鄭志敏、趙相相等研究了列車(chē)中部著火且停靠在隧道中部時(shí)的通風(fēng)模式，通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，采用著火隧道兩端送風(fēng)，利用區(qū)間隧道間聯(lián)絡(luò)通道向另一條未著火隧道排煙的通風(fēng)模式可以使人員安全逃生[4]。西安建筑科技大學(xué)的李岳進(jìn)行了地鐵區(qū)間隧道火災(zāi)小尺寸模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬，對(duì)兩種結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了FDS模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，得出了保證人員安全逃生時(shí)聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)的臨界風(fēng)速[5]。長(zhǎng)安大學(xué)的要忠茹進(jìn)行了雙層島式地鐵車(chē)站及其區(qū)間的模擬，通過(guò)不同風(fēng)速條件下的溫度場(chǎng)和煙氣濃度分布狀況，得出了位于地鐵隧道區(qū)間不同位置的人員安全疏散的時(shí)間和可逃生區(qū)域[6]。李元舟、霍然等通過(guò)對(duì)隧道火災(zāi)的模擬，分析了不同工況下煙氣的擴(kuò)散狀況，得出了煙氣在不同區(qū)段對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和人員造成的影響[7]。楊林分析了地鐵火災(zāi)應(yīng)急疏散程序，并提出提高疏散效率的對(duì)策，為人員安全疏散提供了幾點(diǎn)建議[8]。馬世平通過(guò)對(duì)天津地鐵的模擬仿真得出了合理聯(lián)絡(luò)通道寬度和防煙樓梯間的凈寬度，該研究可為地鐵安全管理提供參考數(shù)據(jù)[9]。

該文以某市地鐵1號(hào)線南關(guān)嶺-華北路站為研究對(duì)象，基于Pathfinder軟件合理設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道寬度及聯(lián)絡(luò)通道間的距離，實(shí)現(xiàn)人員在發(fā)生火災(zāi)時(shí)的安全疏散，增加人員可逃生時(shí)間，為車(chē)站制定人員疏散方案提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 某市地鐵1號(hào)線概況

地鐵1號(hào)線連通了城區(qū)南北，經(jīng)過(guò)了華北路、山東路、西安路等交通干道，成為了市區(qū)的主要運(yùn)客通道，極大地緩解了市民下班早晚高峰期的交通量，給市民出行帶來(lái)極大的便利。

1.2 隧道物理模型

根據(jù)地鐵1號(hào)線的車(chē)站間距，最遠(yuǎn)距離為南關(guān)嶺-華北路1 800 m，根據(jù)目前的《GB50157-2013》地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范的28.2.4要求：“兩條單線區(qū)間隧道應(yīng)設(shè)聯(lián)絡(luò)通道，相鄰兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道的之間的距離不應(yīng)大于600 m，聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)應(yīng)設(shè)并列反向開(kāi)啟的甲級(jí)防火門(mén)，門(mén)扇的開(kāi)啟不得侵入限界[2]。”綜合分析，該文取南關(guān)嶺-華北路站1 800 m長(zhǎng)的隧道作為研究對(duì)象，聯(lián)絡(luò)通道在兩個(gè)站臺(tái)中間，尺寸為。

1.3 列車(chē)物理模型

列車(chē)編組：車(chē)型選擇確定為B型車(chē)，列車(chē)均采用采用6輛編組，車(chē)輛組成為三動(dòng)三拖。

車(chē)輛主要結(jié)構(gòu)尺寸：

車(chē)門(mén)：采用電動(dòng)塞拉門(mén)，客室每側(cè)邊門(mén)4對(duì)；客室邊門(mén)開(kāi)度（寬/高）：1 300 mm/1 860 mm。

超員載客量（站立8人/m2）；有司機(jī)室車(chē)262人/輛（含坐席36人數(shù)）；無(wú)司機(jī)室車(chē)290人/輛（含坐席46人數(shù)）。

1.4 人員統(tǒng)計(jì)數(shù)量模型

以某市全國(guó)普查人口數(shù)量為基數(shù)，在考慮上下班高峰期人員分布的前提下進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)于該疏散模擬可得人員特征分布比例為：

老年：65歲及以上，人數(shù)比重為15%，運(yùn)動(dòng)速度為0.8 m/s。

少年：7～14歲，人數(shù)比重為8%，運(yùn)動(dòng)速度為0.9 m/s

中間年齡段女性：人數(shù)比重為35%，運(yùn)動(dòng)速度為1.2 m/s。

中間年齡段男性：人數(shù)比重為42%，運(yùn)動(dòng)速度為1.3 m/s。

額定載客量：超員載客量：

2 人員安全疏散分析

2.1 人員安全疏散判斷準(zhǔn)則

建筑物發(fā)生火災(zāi)后，人員能否安全疏散取決于兩個(gè)特征時(shí)間：一是可用安全疏散時(shí)間（Available Safety Egress Time，ASET）；二是必需的安全疏散時(shí)間（Required Safety Egress Time，RSET），如圖1所示，如果人員能在火災(zāi)到達(dá)危險(xiǎn)狀態(tài)之前全部疏散到安全區(qū)域，則人員疏散是安全的，二者差值越大則安全度越高，反之則不安全[10]。

2.2 人員安全疏散時(shí)間

人員疏散所需的總時(shí)間計(jì)算公式[11-12]：

（1）

式中td為探測(cè)時(shí)間，即從火災(zāi)發(fā)生到探測(cè)到火災(zāi)的時(shí)間；ta為報(bào)警時(shí)間；td為人員識(shí)別時(shí)間，即從聽(tīng)到或看到火災(zāi)信號(hào)到人員意識(shí)到必須采取措施的時(shí)間；to為疏散預(yù)動(dòng)時(shí)間；ti為人員反應(yīng)時(shí)間，即從人員開(kāi)始對(duì)火災(zāi)信號(hào)作出反應(yīng)到疏散行動(dòng)開(kāi)始的時(shí)間；tk為人員從車(chē)上下到路面所需的時(shí)間；tmove為疏散行動(dòng)時(shí)間，即疏散行動(dòng)從開(kāi)始到結(jié)束所需的時(shí)間，包括人員移動(dòng)時(shí)間和在出口排隊(duì)等候的時(shí)間。

3 隧道火災(zāi)模擬工況與結(jié)果分析

該次分析針對(duì)地鐵隧道的人員荷載及分布特色，研究當(dāng)列車(chē)停靠在聯(lián)絡(luò)通道附近時(shí)的人員疏散，如圖2所示，因?yàn)樵诖朔N工況下，不管采取何種通風(fēng)方式，人員向聯(lián)絡(luò)通道或者火源下游逃生總有一部分人群會(huì)淹沒(méi)在煙氣中，不利于人員安全疏散。

采用Togawa經(jīng)驗(yàn)公式與Pathfinder疏散仿真軟件兩種計(jì)算方法。分兩個(gè)疏散過(guò)程進(jìn)行模擬，過(guò)程一人員由地鐵車(chē)廂疏散到隧道內(nèi)，過(guò)程二人員由隧道內(nèi)向聯(lián)絡(luò)通道疏散。

3.1 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算人員疏散時(shí)間

經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算方法：采用Togawa簡(jiǎn)化的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算疏散行動(dòng)時(shí)間[13-14]

（2）

表示功能區(qū)內(nèi)待疏散的總?cè)藬?shù)（人）；Weff表示疏散出口的有效總寬度（m）；C表示疏散出口的疏散能力（人/（m·s））；V表示疏散時(shí)人員的平均速度（m/s），由表1確定；L表示門(mén)距疏散隊(duì)列之末的距離（m）。

人員由列車(chē)疏散到隧道內(nèi)的時(shí)間：

s

人員從隧道疏散到聯(lián)絡(luò)通道的過(guò)程，火源下游3節(jié)車(chē)廂內(nèi)人員在煙氣中，取下游3節(jié)車(chē)廂內(nèi)的人員為研究對(duì)象，總?cè)藬?shù)（人），聯(lián)絡(luò)通道寬度 m

列車(chē)中心距離聯(lián)絡(luò)通道60 m。

s

列車(chē)中心距離聯(lián)絡(luò)通道150 m。

s

列車(chē)中心距離聯(lián)絡(luò)通道250 m。

s

列車(chē)中心距離聯(lián)絡(luò)通道350 m。

s

列車(chē)中心距離聯(lián)絡(luò)通道450 m。

s

3.2 Pathfinder疏散軟件計(jì)算人員疏散時(shí)間

人員由列車(chē)疏散到隧道內(nèi)的時(shí)間如圖3所示，模擬結(jié)果為125.0 s內(nèi)全部人員由地鐵車(chē)輛內(nèi)逃生到隧道區(qū)域外。

人員從隧道疏散到聯(lián)絡(luò)通道的過(guò)程：得出的人員疏散時(shí)間如表2所示。

通過(guò)Pathfinder軟件的模擬與經(jīng)驗(yàn)公式的對(duì)比結(jié)果，如圖4，結(jié)果較為吻合，誤差都在5%以?xún)?nèi)，Pathfinder軟件可較理想地模擬人員疏散過(guò)程，存在的誤差是由于經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算趨于理想，用一個(gè)通用的速度代替各類(lèi)人員的速度，在實(shí)際過(guò)程中各類(lèi)人員的步行速度及各種環(huán)境心理因素較復(fù)雜，計(jì)算機(jī)模擬可以考慮不同人群所占的比例，設(shè)置不同人群的步行速度等，相對(duì)來(lái)說(shuō)計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果更為精確。

根據(jù)廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院的古晉對(duì)地鐵火災(zāi)疏散救援問(wèn)題的研究，得出了地鐵區(qū)間隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員可利用的安全疏散時(shí)間為610 s[15]。探測(cè)報(bào)警時(shí)間與疏散預(yù)動(dòng)時(shí)間一般較短，且會(huì)隨人員個(gè)體差異及其面對(duì)火災(zāi)時(shí)反應(yīng)情況的不同而不同，該文參考已有研究并給定探測(cè)報(bào)警時(shí)間為30 s，疏散預(yù)動(dòng)時(shí)間為30 s。

故人員疏散所需的總時(shí)間：

當(dāng)列車(chē)與聯(lián)絡(luò)通道距離大于150 m時(shí)，人員疏散時(shí)間大于610 s。不符合人員安全疏散的條件。由以上計(jì)算可知，當(dāng)列車(chē)與聯(lián)絡(luò)通道與距離大于150 m時(shí)，人員逃生的時(shí)間也受到限制。因此采取合理的措施保證人員的安全疏散就顯得十分必要。可采取加大聯(lián)絡(luò)通道的寬度、設(shè)置多個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，改變排煙方式等方法保證人員安全疏散。

下面從這兩個(gè)方面提出改進(jìn)措施，以滿(mǎn)足人員安全疏散的要求。

4 聯(lián)絡(luò)通道的合理設(shè)置

4.1 增加聯(lián)絡(luò)通道的寬度

選取疏散時(shí)間最長(zhǎng)，即列車(chē)中心距聯(lián)絡(luò)通道的距離為450 m時(shí)的情況為研究對(duì)象。

t25≤ s

即人員從隧道內(nèi)疏散到聯(lián)絡(luò)通道的時(shí)間需要小于425 s。

通過(guò)模擬得出聯(lián)絡(luò)通道寬度與疏散時(shí)間的關(guān)系如表3所示。

由模擬結(jié)果可知，當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道寬度在10 m以上時(shí)，人員可安全地進(jìn)行疏散。隨著隧道內(nèi)疏散通道寬度的增加，人員疏散時(shí)間逐漸減小，聯(lián)絡(luò)通道寬度每增加1 m人員疏散時(shí)間增加大約1 s左右。

4.2 增加聯(lián)絡(luò)通道的個(gè)數(shù)

該文取1 800 m長(zhǎng)的隧道作為研究對(duì)象，設(shè)置兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，聯(lián)絡(luò)通道的間距為600 m，如圖5所示。由于有兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，假設(shè)火源發(fā)生在兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道的中間位置，則需要考慮整列車(chē)廂的人員疏散，按超載計(jì)算人員數(shù)量。

得出的人員疏散時(shí)間如圖6所示

通過(guò)模擬結(jié)果可知人員在375.5 s內(nèi)完成疏散，小于425 s，人員可以安全疏散。

5 人員疏散方案

由于在該文中取1.8 km隧道作為研究對(duì)象，認(rèn)為列車(chē)中心距離聯(lián)絡(luò)通道450 m以?xún)?nèi)為列車(chē)位于聯(lián)絡(luò)通道附近。地鐵列車(chē)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，當(dāng)列車(chē)位于聯(lián)絡(luò)通道附近時(shí)，開(kāi)啟“著火隧道前方車(chē)站送新風(fēng)后方車(chē)站排煙，未著火隧道兩端送風(fēng)”的通風(fēng)方案。

5.1 人員疏散方案一

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，分析認(rèn)為在地鐵列車(chē)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，當(dāng)列車(chē)與聯(lián)絡(luò)通道距離小于150 m時(shí)，可用安全疏散時(shí)間大于所需安全疏散時(shí)間，常規(guī)的聯(lián)絡(luò)通道寬度符合人員安全疏散的條件，人員可通過(guò)聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行安全疏散。

當(dāng)列車(chē)與聯(lián)絡(luò)通道距離大于150 m時(shí)，可用安全疏散時(shí)間小于所需安全疏散時(shí)間，常規(guī)的聯(lián)絡(luò)通道寬度根據(jù)模擬結(jié)果不再符合人員安全疏散的條件。可采取增大聯(lián)絡(luò)通道寬度的方法，當(dāng)站臺(tái)間距在1.8 km以?xún)?nèi)，聯(lián)絡(luò)通道的寬度在10 m以上時(shí)可滿(mǎn)足人員疏散的條件。

根據(jù)模擬結(jié)果和聯(lián)絡(luò)通道的實(shí)際應(yīng)用，當(dāng)站臺(tái)間距在1.8 km左右時(shí)，建議聯(lián)絡(luò)通道的寬度在10～12 m。當(dāng)列車(chē)發(fā)生火災(zāi)且靠近聯(lián)絡(luò)通道時(shí)，人員可通過(guò)聯(lián)絡(luò)通道安全疏散。

5.2 人員疏散方案二

當(dāng)兩個(gè)站臺(tái)之間設(shè)有一個(gè)聯(lián)絡(luò)通道時(shí)，在最不利工況下疏散人群，兩個(gè)站臺(tái)之間的距離較長(zhǎng)，所以人員疏散時(shí)間也較長(zhǎng)，該文采用在隧道中設(shè)置兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道的方案。

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，設(shè)置兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道的方案，相比于增大聯(lián)絡(luò)通道的寬度的方案，人員疏散時(shí)間大大減小，即所需安全疏散時(shí)間減小。

根據(jù)模擬結(jié)果和聯(lián)絡(luò)通道的實(shí)際應(yīng)用，當(dāng)站臺(tái)間距在1.8 km左右，建議在隧道內(nèi)設(shè)置兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，聯(lián)絡(luò)通道的距離為600 m以為。當(dāng)列車(chē)發(fā)生火災(zāi)且靠近聯(lián)絡(luò)通道時(shí)，人員可通過(guò)兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道進(jìn)行安全疏散。

6 結(jié)論

該文以某市地鐵1號(hào)線某區(qū)間段為研究對(duì)象，研究該隧道聯(lián)絡(luò)通道的設(shè)置對(duì)人員疏散時(shí)間的影響。以火災(zāi)發(fā)生在列車(chē)的不同部位以及列車(chē)?？吭谒淼赖牟煌课粸楸尘?，分析了人員逃生最不利工況，即列車(chē)靠近聯(lián)絡(luò)通道時(shí)的人員疏散，基于Pathfinder軟件模擬了此種工況時(shí)的人員疏散，并與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算做了對(duì)比分析。

（1）通過(guò)6組數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Togawa經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果與Pathfinder軟件模擬結(jié)果相差都在5%以?xún)?nèi)，Pathfinder軟件可直觀、可靠地分析出人員疏散最佳時(shí)間，較理想地模擬人員疏散過(guò)程。

（2）南關(guān)嶺-華北路站地鐵列車(chē)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，車(chē)輛采用三動(dòng)三拖，當(dāng)列車(chē)與聯(lián)絡(luò)通道距離大于等于150 m時(shí)，可用安全疏散時(shí)間小于所需安全疏散時(shí)間，常規(guī)的聯(lián)絡(luò)通道寬度不符合人員安全疏散的條件。隨著隧道內(nèi)疏散通道寬度的增加，人員疏散時(shí)間逐漸減小，當(dāng)站臺(tái)間距在1 800 m以?xún)?nèi)，聯(lián)絡(luò)通道的寬度在10 m以上時(shí)可滿(mǎn)足人員疏散的條件。

（3）南關(guān)嶺-華北路站隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)，如果火災(zāi)發(fā)生在列車(chē)中部，列車(chē)靠近聯(lián)絡(luò)通道，開(kāi)啟“著火隧道前方車(chē)站送新風(fēng)后方車(chē)站排煙，未著火隧道兩端送風(fēng)”的通風(fēng)方案，設(shè)置兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，聯(lián)絡(luò)通道的距離為600 m以?xún)?nèi)，人員向聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)疏散，可以保證列車(chē)在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員的安全疏散。

（4）該文在模擬過(guò)程中對(duì)物理模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，且在地鐵實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，存在較多的不確定性，故模擬結(jié)果可能會(huì)與實(shí)際存在一定的偏差，得出的結(jié)論僅為地鐵運(yùn)營(yíng)部門(mén)安全管理提供參考。

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